半導體晶體成長方法和半導體發光元件的製作方法
2023-06-01 04:32:41 2
專利名稱：半導體晶體成長方法和半導體發光元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及在底襯底上使與該底襯底不同的半導體物質結晶成長而得到半導體晶體的「半導體晶體成長方法」。
背景技術：
一般知道如圖4所例示，在矽襯底上使氮化鎵(GaN)晶體成長、然後，冷卻到常溫時，在GaN成長層上產生很多轉位和裂紋。
這樣，當在成長層上產生很多轉位和裂紋時，在其上製作器件時，結果是在器件上產生很多晶格缺陷和轉位、變形、裂紋等，成為引起器件特性惡化的原因。
而且除去矽(Si)襯底只留成長層、想得到獨立的襯底時，由所述轉位和裂紋等的作用而難於得到大面積(1cm2以上)的產品。
因此，此前例如在通過這種所謂異質外延成長作為得到高質量半導體晶體的方法而採取了如下的措施。
(現有方法1)把低溫堆積緩衝層在襯底上成膜。例如使AlGaN、AlN、GaN、或AlGaInN等III族氮化物化合物半導體在低溫下堆積，是把根據晶格常數差的內部應力緩和的所謂緩衝層成膜的方法。
(現有方法2)在作為目的的半導體晶體上把晶格常數相近的材料選作晶體成長襯底的材料。例如，把單晶氮化鎵(GaN)作為目的半導體晶體時等，把碳化矽(SiC)選作晶體成長襯底材料。
發明的公開但即使使用緩衝層也不能充分緩和目的半導體晶體與襯底之間產生的應力。即，所述這種緩衝層只能緩和應力的一部分，例如，使氮化鎵(GaN)在藍寶石襯底上晶體成長時等，即使使用了GaN低溫堆積緩衝層，在目的半導體晶體(氮化鎵層)上也產生相當數量的缺陷。
在目的半導體晶體上使用具有相近晶格常數的襯底時，即使能緩和由晶格常數差引起的應力，也難於緩和根據熱膨脹係數差的應力，在晶體成長後的降溫時等，在目的半導體晶體(氮化鎵層)上也產生相當數量的缺陷。
而且，還產生裂紋，難於得到獨立的大面積半導體晶體。
本發明是為解決所述課題而開發的，其目的在於得到沒有裂紋、轉位密度低的高質量的半導體晶體。
為解決所述課題，下面的方法是有效的。
即，第一方法是，在與該底襯底不同的半導體物質晶體成長的半導體晶體成長順序中，在開始晶體成長前，把離子從底襯底的晶體成長面注入底襯底上。
第二方法是，在所述第一方法的所述晶體成長後，通過把底襯底升溫或降溫，使底襯底的一部分或全部斷裂。
第三方法是，在所述第一方法或第二方法中，在距晶體成長面20μm以內的深度注入離子。
第四方法是，在所述第一到第三的任一方法中，使用氫離子(H+)或氦離子(He+)作為注入的離子。
第五方法是，在所述第一到第四的任一方法中，把對晶體成長面的每單位面積的離子注入量定為「1×1015[/cm2]～1×1020[/cm2]」。
第六方法是，在所述第一到第五的任一方法中，選擇矽(Si)、藍寶石(Al2O3)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎵釹(NdGaO3)、氧化鎵鋰(LiGaO2)或氧化鋁鎂(MgAl2O4)作為所述底襯底的材料。
第七方法是，在所述第一到第六的任一方法中，把所述半導體物質定為III族氮化物系化合物半導體。
但，這裡所說的「III族氮化物系化合物半導體」，一般包括二元、三元或四元用通式「AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1))表示的任意混晶比的半導體，而且，添加了幾乎不能左右這些組成比x、y等程度的微量或少量p型或n型雜質的半導體，也包括在本說明書「III族氮化物系化合物半導體」的範疇內。
因此，例如是二元系或三元系的「III族氮化物系化合物半導體」時，AlN、GaN、InN和/或任意或適當混晶比的AlGaN、AlInN、GaInN等就不用說了，就連添加了幾乎不能左右這些各種半導體組成比程度的微量或少量p型或n型雜質的半導體也包括在本說明書的「III族氮化物系化合物半導體」內。
而且，把所述III族元素(Al、Ga、In)內的一部分用硼(B)或鉈(Tl)等置換，或把氮(N)的一部分用磷(P)或砷(As)、銻(Sb)、鉍(Bi)等置換的半導體等也包括在本說明書「III族氮化物系化合物半導體」的範疇內。
作為所述P型雜質，例如可添加鎂(Mg)和/或鈣(Ca)等。
作為所述n型雜質，例如可添加矽(Si)或硫(S)、硒(Se)、碲(Te)或鍺(Ge)等。
這些雜質既可同時添加兩種元素以上，也可同時添加兩型(P型和n型)第八方法是，在所述第一到第七的任一方法中，在注入離子後晶體成長開始前，把底襯底進行熱處理。
第九方法是，在半導體發光元件中，把用所述第一到第八的任一方法製造的半導體晶體至少作為晶體成長襯底預備。
第十方法是，通過把所述第一到第八的任一方法製造的半導體晶體至少用作晶體成長襯底的晶體成長，製造目的半導體發光元件。
通過以上方法能解決所述課題。
在注入離子的底襯底表面(離子注入面)整個面上，把離子的加速電壓定為同一水平，該加速電壓保持一定時間時，距注入離子的底襯底表面(離子注入面)的深度也大致被維持固定。即，按照此法注入離子，離子密度達到最高的深度(最大密度的深度h)與所述加速電壓大致成比例，該離子注入面的整個面變得大致一樣。以下，把「最大密度的深度h」近旁的離子密度局部變高的層稱為「離子注入層」。
另外，注入底襯底中的離子，例如在升溫過程中產生膨脹或氣化等主要物理狀態的變化。而且，發現這些狀態變化是比底襯底的熱膨脹等狀態變化還格外地大的狀態變化。
因此，把注入了離子的所述底襯底作為晶體成長襯底使用時，在晶體成長溫度和升降溫過程等中，底襯底以所述離子注入層為界發生部分斷裂。這些底襯底最終分離成離子注入面一側的薄膜部和原來的主要部分。
然而，在該薄膜部上成長的目的半導體晶體上，襯底(薄膜部)被非常薄地部分地分離，所以，根據晶格常數差的應力幾乎不起作用。因此，目的半導體晶體其結晶性比現有的優良。
另外，在晶體成長後的降溫過程中，由於襯底(薄膜部)被非常薄地部分地分離，所以，通過根據該薄膜部上成長的目的半導體晶體和底襯底的熱膨脹係數差的應力，在降溫過程較初期，就以離子注入層為界，分離成離子注入面側的薄膜部和原來的主要部分。因此，這以後，薄膜部和在該薄膜部上成長的目的半導體晶體，根據熱膨脹係數差的應力幾乎不起作用。
通過這些作用，使用本發明的方法能得到沒有裂紋、轉位密度低的高質量的半導體晶體。
注入離子的深度(最大密度的深度h)，最好比目的半導體晶體的厚度薄，作為一般性的絕對目標，優選20μm以內。當該厚度過厚時，所述應力不被充分緩和。
作為所述底襯底的材料，眾所周知的晶體成長襯底的材料是有效的，例如把矽(Si)、藍寶石(Al2O3)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎵釹(NdGaO3)、氧化鎵鋰(LiGaO2)或氧化鋁鎂(MgAl2O4)等用作晶體成長襯底(所述的底襯底)進行晶體成長，就能得到所述的作用·效果。
圖1是本發明實施例涉及的半導體的模式剖面圖；圖2是注入離子數(密度)對離子注入深度的關係圖；圖3是離子注入深度(最大密度的深度h)對離子注入能量的關係圖；圖4是現有的半導體晶體的晶體成長狀態的模式剖面圖。
用於實施本發明的最佳方式下面根據具體實施例說明本發明。但本發明又不限定於下面所示的實施例。另外，在發明公開欄中所述的事項也是實施本發明的最佳方式。
(1)離子注入襯底(底襯底)的製作在Si(III)襯底(底襯底)上，大致常溫下，把氫離子(H+)以1×1016/cm2的劑量(ド一ズ)，用加速電壓10keV的能量注入(圖1(a))。
圖2是注入離子數(密度)對這時離子注入深度的關係圖。如從本圖2可知，通過該離子注入，在距表面(離子注入面)深度100nm左右的地方，形成離子密度局部高的離子注入層。
(2)GaN/Si晶體成長然後，用有機金屬化合物氣相成長法(MOVPE法)實施下面的晶體成長即，首先在所述Si襯底(底襯底)10的離子注入面上，用約1100℃使由AlGaN構成的緩衝層20成長約300nm，然後在其上，用約1050℃使目的半導體晶體的氮化鎵(GaN)層30成長約200μm(圖1(b))。在該晶體成長前的升溫過程中，所述Si襯底10以位於距其表面(離子注入面)h＝100nm左右的所述離子注入層為界部分發生斷裂，最終在成長後的降溫過程中，分離成膜厚約100nm的薄膜部11與Si襯底10的主要部分。
通過以上的半導體晶體製造方法，能得到結晶性比現在的優良、沒有裂紋的氮化鎵(GaN)單晶。
因此，把這種優質單晶例如作為晶體成長襯底等的半導體發光元件的一部分使用時，可以容易地製造出發光效率高、或驅動電壓比現有的被抑制的、高質量的半導體發光元件和半導體受光元件半導體製品。
另外，使用這種優質單晶時，不僅光學元件，就連耐壓性高的半導體功率元件和在高頻率工作的半導體高頻率元件等所謂半導體電子元件製造也變得可能或容易。
下面舉出獨立於上述實施例的本發明實施方案可能變形的範圍。
但是，這些變形對所述實施例也分別能適用。
例如，所述實施例中使用有機金屬化合物氣相成長法(MOVPE法)，但本發明的晶體成長通過氫化物氣相成長法(HVPE法)等也能實施。
用(He+)替代氫離子(H+)也能得到與所述實施例大致同樣的作用·效果氫離子的劑量也依賴於底襯底的材質等，但在約1×1015[/cm2]～1×1020[/cm2]的範圍內是有效的，在該條件下能得到與所述大致同樣的作用·效果。更優選的是，氫離子的劑量在3×1015[/cm2]～1×1017[/cm2]左右為好，尤其優選的是在8×1015[/cm2]～2×1016[/cm2]左右為好。當劑量選擇成適當的量時，也能把底襯底的薄膜部與主要部在晶體成長過程中分離。
當該值過小時，從底襯底可靠地分離薄膜部分變困難。當該值過大時，對薄膜部分損害變大，使薄膜部從底襯底以大致一樣的厚度、美麗連接的形狀加以分離變得困難。
把入射能量作為可變，控制從底襯底分離的薄膜部分的厚度也是可能的。圖3示出離子注入深度(最大密度的深度h)對離子注入能量的測量結果。例如，這種離子注入深度(最大密度的深度h)與離子注入能量大致成比例，所以，通過調整入射能量(加速電壓)可適當控制薄膜部分的厚度。
另外，通過在離子注入後晶體成長開始前進行熱處理，預先在離子注入層中形成部分斷裂部位(空隙)，同時，通過離子照射，能使受到損害的底襯底離子注入部的結晶性恢復。這樣能提高在其上成長的半導體的結晶性薄膜部分的厚度優選20μm以下。該厚度越薄，對目的半導體晶體的拉伸應力就越緩和，轉位和裂紋的發生密度越減少。因此，更優選的是薄膜部分的厚度在2μm以下為好，尤其優選的是在200nm以下為好。為實現這些值，根據所述的圖3等，調整離子注入能量(加速電壓)即可，以使注入離子數的峰值成為該程度的深度。
但是，當離子注入層的厚度變厚時，薄膜部分的厚度就難於控制，所以，對離子注入層的厚度等也要注意。
離子注入層的厚度不能嚴密定義，但例如，對圖2注入離子數峰值的半值寬度可以作為一個標準。所述薄膜部分的厚度，是把該離子注入層的厚度做得越薄就越容易控制。
因此，把離子注入能量(加速電壓)極力保持在一定值等方法，對正確控制薄膜部分的厚度是有效的。
相對來說，使晶體成長的目的半導體晶體的厚度，製成與薄膜部的厚度大致同等以上是優選的。通過這種設定，對所希望的半導體晶體的應力緩和變得容易，能把轉位和裂紋的發生比現有的得到大幅度地抑制。該應力緩和的效果是，目的半導體晶體相對厚度越大就越好。該應力緩和的效果雖依賴於薄膜部分的厚度，但薄膜部分的厚度在20μm以下時，則在約50～200μm左右大致飽和。
本發明對底襯底和目的半導體晶體的種類(材質)沒有特別的限制，包括所述底襯底和半導體晶體各材料之間的任意組合，可以適用於眾所周知的或任意種類的異質外延成長。
在表示本發明之際，作為最實用的理想的例子，可用上述實施例，但本發明不僅限定於所述的實施例，而是包括本發明範圍內的其他變形例和應用例。
權利要求
1.一種半導體晶體成長方法，該法是在底襯底上使與所述底襯底不同的半導體物質晶體成長的半導體晶體成長方法，其特徵在於，在開始所述晶體成長前，把離子從所述底襯底的晶體成長面注入。
2.如權利要求1所述的半導體晶體成長方法，其特徵在於，在所述晶體成長後，通過把所述底襯底升溫或降溫，使所述底襯底的一部分或全部斷裂。
3.如權利要求1或權利要求2所述的半導體晶體成長方法，其特徵在於，在距所述晶體成長面20μm以內的深度注入所述離子。
4.如權利要求1到權利要求3的任一項所述的半導體晶體成長方法，其特徵在於，所述離子是氫離子(H+)或氦離子(He+)。
5.如權利要求1到權利要求4的任一項所述的半導體晶體成長方法，其特徵在於，把對所述晶體成長面每單位面積的所述離子的注入量定為1×1015[/cm2]以上～1×1020[/cm2]以下。
6.如權利要求1到權利要求5的任一項所述的半導體晶體成長方法，其特徵在於，所述底襯底採用矽(Si)、藍寶石(Al2O3)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎵釹(NdGaO3)、氧化鎵鋰(LiGaO2)或氧化鋁鎂(MgAl2O4)。
7.如權利要求1到權利要求6的任一項所述的半導體晶體成長方法，其特徵在於，把所述半導體物質規定為III族氮化物系化合物半導體。
8.如權利要求1到權利要求7的任一項所述的半導體晶體成長方法，其特徵在於，在所述離子注入後，在所述晶體成長開始前，把所述底襯底的所述晶體成長面進行熱處理。
9.一種半導體發光元件，其特徵在於，至少作為晶體成長襯底，具有使用權利要求1到權利要求8的任一項所述的製造方法製造的所述半導體晶體。
10.一種半導體發光元件，其特徵在於，通過至少把使用權利要求1到權利要求8的任一項所述的製造方法製造的所述半導體晶體用作晶體成長襯底的晶體成長來製造。
全文摘要
一種半導體晶體成長方法及半導體發光元件，該法是在底襯底上使與所述底襯底不同的半導體物質結晶成長的半導體晶體成長方法，其特徵在於，在開始所述晶體成長前，把離子從所述底襯底的晶體成長面注入。所述半導體發光元件的特徵在於，至少作為晶體成長襯底，具有使用上述晶體成長方法製造的半導體晶體。在所述晶體成長過程中，底襯底以離子注入層為界破斷，並最終分離為薄膜部分和主要部分。本發明的半導體晶體製造方法，能得到比現有技術結晶性優良、裂紋少的氮化鎵單晶。
文檔編號C30B25/02GK1491299SQ02804627
公開日2004年4月21日 申請日期2002年2月12日 優先權日2001年2月14日
發明者永井誠二, 義, 冨田一義, 宏, 色川芳宏, 加地徹 申請人:豐田合成株式會社